DE4038107C2 - Resonator für einen Kernspintomographen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Resonator für einen Kern­ spintomographen zur diagnostischen Untersuchung von Teilen eines Meßobjekts, insbesondere eines menschlichen Körpers, dessen Körperachse sich in der x-Achse eines rechtwinkligen Koordinatensystems erstreckt. Der zu untersuchende Körper­ bereich befindet sich zwischen den Polschuhen eines Magneten für ein magnetisches Grundfeld, das sich in Richtung der z- Achse erstreckt. Zum Senden und Empfang der Meßsignale ist ein Resonator vorgesehen, der aus zwei Teilsystemen besteht, die jeweils über ein Netzwerk, das zur Frequenzabstimmung, Last­ anpassung und Symmetrierung dient, und über einen gemeinsamen 90°/3 dB-Richtkoppler an einen Sender und einen Empfänger ange­ schlossen sind.

Zum Herstellen von Schnittbildern eines Meßobjekts, insbesonde­ re eines menschlichen Körpers, sowie zur Diagnostik, beispiels­ weise zur Gelenkdiagnostik, und zur Darstellung von Blutgefäßen können bekanntlich Kernspintomographen verwendet werden. Mit diesen Geräten wird durch rechnerische oder meßtechnische Ana­ lyse integraler Protonenresonanzsignale aus der räumlichen Spindichte - oder auch der Relaxationszeitenverteilung - des zu untersuchenden Körpers ein Bild konstruiert. Der Körper wird in ein homogenes Magnetfeld, das sogenannte Grundfeld, eingebracht, das die Kernspins im Körper ausrichtet. Ferner sind Gradientenspulen vorgesehen, die ein räumlich unter­ schiedliches Magnetfeld erzeugen. Eine Hochfrequenz-Antenne regt die Kernspins an und überträgt die von den angeregten Kernspins induzierten Meßsignale zu einem Empfänger. Diese Hochfrequenzantenne ist im allgemeinen über ein Netzwerk mit Anpassungskapazitäten sowie eine Sende- und Empfangsweiche an einen Sender und an einen Empfänger angeschlossen. Während die maximale Impuls-Sendeleistung durch die Belastungsgrenze der Bauelemente gegeben ist, wird die maximale mittlere Sende­ leistung im wesentlichen durch die Erwärmung des Patienten be­ grenzt.

Eine geringe Sendeleistung benötigen bekanntlich zirkular po­ larisierende Antennen. Diese haben den Vorteil, daß sie im wesentlichen nur die für die Kernspinresonanz wirksame, bei­ spielsweise die linksdrehende Feldkomponente erzeugen. Eine solche Antenne kann beispielsweise aus zwei orthogonal zuein­ ander angeordneten linear polarisierenden Antennensystemen bestehen, die über einen 90°-Richtkoppler an einen Sender und einen Empfänger angeschlossen sind. Das eingespeiste Sendesi­ gnal teilt sich mit 90° Phasenverschiebung auf die beiden Systeme auf und erzeugt das für die Kernspintomographie wirk­ same Drehfeld. Im Empfangsfall stellt die Antenne zwei um 90° phasenverschobene Nutzsignalquellen sowie zwei unkorrelierte Rauschquellen dar. Der 90°-Richtkoppler liefert dem Empfänger die phasenrichtige Summe der Nutzsignale (Journal of Magnetic Resonance 54 (1983), Seiten 324 bis 327).

Zur Abbildung gewisser Körperbereiche mit verhältnismäßig ge­ ringer Ausdehnung können bekanntlich sogenannte Oberflächenre­ sonatoren verwendet werden, die als Flachspulen mit einer oder mehreren Windungen ausgebildet sind. Sie werden einfach auf das abzubildende Körperteil, beispielsweise einen Rückenwirbel, das Mittelohr oder auch ein Auge, aufgelegt.

Ein bekannter zirkular polarisierender Oberflächenresonator für die Kernspintomographie zur Abbildung von Teilen eines mensch­ lichen Körpers, dessen Achse sich in der Richtung eines magne­ tischen Grundfeldes B_o erstreckt, besteht aus zwei ineinander verschachtelten Teilsystemen. Das eine System, ein sogenannter Planar-pair-resonator, enthält zwei ringzylindrische Spulenwin­ dungen aus bandförmigen Leitern. Diese Spulenwindungen sind über ebenfalls bandförmige Leiter miteinander verbunden. Die beiden Spulenwindungen sind in der x-z-Ebene neben­ einander angeordnet. Das zweite System, ein sogenannter CRC-Resonator (counter rotating current), enthält eben­ falls zwei ringzylindrische Spulenwindungen, die koaxial zur Y-Achse und parallel zur x-z-Ebene übereinander ange­ ordnet sind. Der Planar-pair-resonator ist in den Zwi­ schenraum zwischen den beiden Spulen des CRC-Resonator eingeschoben. Mit diesem Resonator erhält man eine in­ trinsische Entkopplung von homogenen äußeren Hochfre­ quenz-Feldern. Diese Ausführungsform mit zwei verschie­ denartig aufgebauten und angeordneten Teilsystemen ist jedoch nur geeignet für ein magnetisches Grundfeld B_o, das in Richtung der Körperachse verläuft, und sie ist außerdem verhältnismäßig kompliziert (Magnetic Resonance in Medicine 4 (1987), Seiten 179 bis 184).

Aus der DE 37 05 314 A1 geht ein Resonator für einen Kernspintomographen hervor, der durch eine kreisförmig polarisierte HF-Sonde mit vier effektiven Sattelspulen gebildet wird. Diese Spulen sind so angeordnet, daß sie einen Zylinder definieren. Sie weisen jeweils ein Paar von um 120° gekrümmten Stromleiterabschnitten auf, die durch Längsleiter getrennt sind. Die HF-Energie wird an jede der Sattelspulen angekoppelt, so daß erste und zweite Paare von Sattelspulen erste und zweite, senkrecht zueinander stehende Felder erzeugen. Der bekannte Resonator besteht somit aus einem Kombination von zwei Teilsystemen, die räumlich wenigstens annähernd um 90° gegeneinander ver­ dreht sind und deren Resonanzströme zeitlich um 90° in der Phase gegeneinander verschoben sind und deren Magnet­ felder in einem zu untersuchenden Objektbereich wenigstens annähernd senkrecht aufeinander stehen. Die beiden Teil­ systeme können dabei gemeinsame Leiter aufweisen und enthalten jeweils wenigstens eine Resonanzkapazität.

Aus der EP 0 304 249 A2 geht ein weiterer Resonator für einen Kernspintomographen hervor, der mehrere Teilsysteme aufweist. Dabei kann eine Grundplatte aus elektrisch lei­ tendem Material einen gemeinsamen Rückleiter für diese Teilsysteme bilden.

Neben den bekannten, für stärkere Magnetfelder oberhalb 0,5 T im allgemeinen supraleitenden Grundfeldmagneten, die als Solenoid ausgeführt sind und ein in Richtung der Kör­ perachse des Patienten verlaufendes statisches Grundfeld erzeugen, werden in der Kernspintomographie auch Grund­ feldmagneten verwendet, bei denen sich das Grundfeld B_o senkrecht zur Körperachse des zu untersuchenden mensch­ lichen Körpers in Richtung der z-Achse eines rechtwink­ ligen Koordinatensystems erstreckt. Der Magnet ist mit Polschuhen versehen, die den Abbildungsbereich bestimmen und zwischen denen das homogene Grundfeld B_o erzeugt wer­ den soll. Die Polschuhe können auch über das Joch eines Permanentmagneten oder Elektromagneten miteinander ver­ bunden sein und einen sogenannten C-Magneten oder mit zwei Jochen auch einen H-Magneten bilden (EP 0 161 782 A1).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für einen Kernspintomographen mit einem transversalen Grundfeld, einem sogenannten C-Magneten oder H-Magneten, einen Resonator anzugeben, dessen Magnetfeld zur Anregung der Kernspins im Objektbereich im wesentlichen nur Vektorkomponenten des Hochfrequenzfeldes aufweist, die in Schnittebenen senkrecht zum Grundfeld B_o liegen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Resonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit dieser Ausführungsform erhält man einen zirkular polarisierenden Resonator, der sowohl zum Senden als auch zum Empfang der Hochfrequenzsignale geeig­ net ist und der vorzugsweise als Kopfspule verwendet werden kann. In einer weiteren flachen Ausführungsform mit verhält­ nismäßig geringem Abstand zwischen der Grundplatte und den Stromverzweigungen kann er auch als Oberflächenresonator ver­ wendet werden.

In einer weiteren Ausführungsform können die Einzelleiter auch jeweils eine Resonanzkapazität enthalten. Eine besonders vor­ teilhafte weitere Ausführungsform des Resonators besteht darin, daß ein Leiterstück der Stromschleifen aus einer gemeinsamen Deckplatte aus elektrisch leitendem Material besteht.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 die Anordnung eines Oberflä­ chenresonators gemäß der Erfindung zwischen den Polen eines Grundfeldmagneten und der Verlauf des transversalen Grundfeldes schematisch angedeutet sind. Eine Ausführungsform des Resona­ tors mit Einzelleitern ist in Fig. 2 veranschaulicht. Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Ausführungs­ form gemäß Fig. 2. In Fig. 4 ist eine Ausführungsform mit einer für beide Teilsysteme gemeinsamen Deckplatte veranschau­ licht.

Inder Ausführungsform eines Kernspintomographen mit einem Resonator 10 gemäß Fig. 1 ist ein Magnet 2, beispielsweise ein C-Magnet, so gestaltet, daß sein statisches magnetisches Grund­ feld B_o parallel zur z-Achse eines rechtwinkligen Koordinaten­ systems mit den Achsen x, y und z verläuft. Dieser Kernspin­ tomograph kann beispielsweise zur diagnostischen Untersuchung von Teilen eines menschlichen Körpers vorgesehen sein, dessen Körperachse sich in der x-Achse des Koordinatensystems er­ streckt und dessen zu untersuchender, in der Figur gestrichelt angedeuteter Objektbereich 8 sich zwischen den Polschuhen 3 und 4 des Magneten 2 befindet. In dieser Ausführungsform des Magne­ ten 2 sind im allgemeinen wenigstens die einander zugewandten Polflächen der Pole 3 und 4 sowie das Joch 5 mit einer nicht dargestellten Abschirmung aus elektrisch leitendem Material für das Hochfrequenzfeld versehen, die im allgemeinen aus Kupfer besteht. Der Koordinatenursprung des Koordinatensystems soll im Objektbereich 8 im Mittelpunkt eines zirkular polarisierenden Resonators 10 zwischen den Polschuhen 3 und 4 liegen. Das Achsenkreuz ist lediglich zur besseren Übersicht neben dem Magneten 2 angedeutet. Das Magnetfeld 6 ₁₁ verläuft im Objekt­ bereich annähernd parallel zur x-y-Ebene. Der Objektbereich 8 befindet sich beispielsweise im Kopf eines in der Figur nicht näher bezeichneten Patienten innerhalb des Resonators 10, von dem lediglich eine gemeinsame Deckplatte 21 sowie zwei Ver­ bindungsleiter 13 und 22, die jeweils eine Resonanzkapazität 24 bzw. 26 enthalten, zu einer gemeinsamen Grundplatte 20 in der Figur angedeutet sind.

In der Ausführungsform eines Resonators gemäß Fig. 2 besteht ein Teilsystem 11 aus einer Leitungsverzweigung mit Einzellei­ tern 15 und 16 sowie 17 und 18, deren Knotenpunkte 32 und 33 jeweils über einen Verbindungsleiter 13 bzw. 14 mit einer Grundplatte 20 verbunden sind, die als Rückleitung dient. Die Verbindungsleiter 13 und 14 enthalten jeweils eine Resonanzka­ pazität 24 bzw. 25. Ein in gleicher Weise aufgebautes weiteres Teilsystem 12 enthält ebenfalls eine Leitungsverzweigung mit den Einzelleitern 15 und 16 sowie 17 und 18, deren Knotenpunkte 34 und 35 jeweils über einen Verbindungsleiter 22 bzw. 23 mit der Grundplatte 20 verbunden sind. Die Verbindungsleiter 22 und 23 enthalten ebenfalls jeweils eine Resonanzkapazität 26 bzw. 27.

Die Energieankopplung an den Resonator kann beispielsweise an den Resonanzkapazitäten 24 und 26 erfolgen, was in der Fig. 2 jeweils durch einen Spannungspfeil U₁ bzw. U₂ angedeutet ist.

Bei einem Resonator zur Untersuchung eines Kopfes können beispielsweise Verbindungsleiter 13, 14 und 22, 23 mit einer Länge von etwa 25 bis 30 cm vorgesehen sein. Die Länge L der Einzelleiter 15 bis 18 beträgt dann jeweils etwa 30 cm. Ein Resonanzstrom I₁₁ im Teilsystem 11 teilt sich dann am Knoten­ punkt 32 der Leitungsverzweigung auf und es fließt im allge­ meinen jeweils etwa ein Teilstrom I₁₁/2 in den Einzelleitern 15 und 16 sowie 17 und 18. Dieser Strom I₁₁ fließt dann über den Verbindungsleiter 14 und die Grundplatte 20 sowie die Resonanz­ kapazitäten 24 und 25 zurück. In gleicher Weise teilt sich, der mit 90° Phasenverschiebung angeregte Resonanzstrom I₁₂ im Teil­ system 12 am Knotenpunkt 34 in Teilströme I₁₂/2 auf die Lei­ tungsverzweigung mit den Einzelleitern 16 und 18 sowie 15 und 17 auf und fließt über den Knotenpunkt 35 und den Verbindungs­ leiter 23 sowie die Resonanzkapazitäten 26 und 27 und die Grundplatte 20 zurück. Diese Resonanzströme I₁₁ und I₁₂ bilden im Abbildungsvolumen 8 zwischen den Einzelleitern 15 bis 18 und der Grundplatte 20 Magnetfelder B₁₁ bzw. B₁₂, die senkrecht zu­ einander stehen und die in der Figur durch entsprechende Pfeile angedeutet sind. Die Größe der Resonanzkapazitäten 24 bis 27 wird so gewählt, daß die Frequenz des gewünschten Schwingungs­ modes mit den einander überlagerten Resonanzströmen I₁₁ und I₁₂ mit der Betriebsfrequenz des Kernspintomographen identisch ist.

In dieser Ausführungsform des Resonators 10, bei dem die Stromverzweigungen eine etwa quadratische Windung bilden, sind die Teilsysteme um einen Winkel von 90° gegeneinander verdreht. Die Einzelleiter 15 bis 18 können jedoch auch eine etwa recht­ eckförmige Windung bilden.

In der Ausführungsform eines Resonators 10 gemäß Fig. 3 sind außer den Resonanzkapazitäten 24 bis 27 noch weitere Resonanz­ kapazitäten vorgesehen, von denen jeweils eine in den Einzel­ leitern 15 bis 18 angeordnet ist. Diese zusätzlichen Resonanz­ kapazitäten sind in der Figur mit 28 bis 31 bezeichnet. Durch die Resonanzströme, die sich im allgemeinen je zur Hälfte auf die Einzelleiter 15 und 16 sowie 17 und 18 aufteilen und über den Verbindungsleiter 14 sowie die Resonanzkapazitäten 24 und 25 und die Grundplatte zurückfließen, entstehen Magnetfelder B₁₁ bzw. B₁₂, die in der Figur mit Vektorpfeilen angedeutet sind. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß durch Abgleich einer der Resonanzkapazitäten 28 bis 31 in einfacher Weise eine Entkopplung der Teilsysteme 11 und 12 möglich ist, auch wenn die Einzelleiter 15 bis 18 keine quadratische, sondern bei­ spielsweise eine rechteckförmige oder ovale Struktur ergeben.

Eine Ausführungsform des Resonators 10 gemäß Fig. 4 mit ver­ hältnismäßig geringem Abstand zwischen den nicht näher bezeich­ neten Stromverzweigungen und der Grundplatte 20 kann als Ober­ flächenresonator verwendet werden. In dieser Ausführungsform sind die Einzelleiter durch eine gemeinsame Deckplatte 21 aus elektrisch leitendem Material ersetzt, die parallel zur Grund­ platte 20 angeordnet ist. Diese Deckplatte 21 ist an den Kno­ tenpunkten 32 bis 35 jeweils über einen verhältnismäßig kurzen Verbindungsleiter, von denen nur der Verbindungsleiter 13 sowie die beiden Verbindungsleiter 22 und 23 in der Figur sichtbar sind, und die zugeordneten Resonanzkapazitäten 24, 26 und 27 mit der Grundplatte 20 elektrisch leitend verbunden. Die sich in der Deckplatte 21 einstellenden Stromverteilungen der Resonanzströme I₁₁ und I₁₂ rufen Magnetfelder hervor, die in einem Objektbereich oberhalb der Deckplatte 21 senkrecht aufeinanderstehen.

Claims (4)

1. Resonator für einen Kernspintomographen zur diagnosti­ schen Untersuchung von Teilen eines Meßobjekts, dessen Körperachse sich in der x- oder y-Achse eines rechtwink­ ligen Koordinatensystems erstreckt und dessen zu unter­ suchender Objektbereich sich zwischen den Polschuhen eines Magneten für ein magnetisches Grundfeld B_o befindet, das sich in Richtung der z-Achse erstreckt, welcher Resonator folgende Merkmale aufweist:

• a) Der Resonator (10) besteht aus einer Kombination von zwei Teilsystemen (11, 12), die räumlich wenigstens annähernd um 90° gegeneinander verdreht sind und deren Resonanzströme (I₁₁, I₁₂) zeitlich um 90° in der Phase gegeneinander verschoben sind und deren Magnetfelder (B₁₁, B₁₂) im Objektbereich (8) wenigstens annäherend senkrecht aufeinanderstehen und die jeweils wenigstens eine Resonanzkapazität (24 bis 27) enthalten,
• b) jedes Teilsystem (11, 12) besteht aus einer Strom­ schleife, die mit einer Stromverzweigung versehen ist, deren Knotenpunkte (32 bis 35) über die Resonanzkapazi­ täten (24 bis 27) mit einer Grundplatte (20) aus elek­ trisch leitendem Material verbunden sind,
• c) die Grundplatte (20) bildet für die Stromschleifen der beiden Teilsysteme (11, 12) einen gemeinsamen Rücklei­ ter,
• d) die Stromverzweigungen der beiden Stromschleifen be­ stehen aus für beide Teilsysteme (11, 12) gemeinsamen Leitern.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die für beide Teilsysteme (11, 12) ge­ meinsamen Stromverzweigungen aus Einzelleitern (15 bis 18) be­ stehen, die parallel zur Grundplatte (20) verlaufen.

3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einzelleiter (15 bis 18) jeweils eine zusätzliche Resonanzkapazität (28 bis 31) enthalten.

4. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die für beide Teilsysteme (11, 12) ge­ meinsamen Leiter der Stromverzweigungen aus einer Deckplatte (21) bestehen.